浅谈敦煌市齐福富超市地下建筑自动喷水灭火系

　　摘 要：本文综合运用消防工程专业知识和现行消防技术标准，对具体建设工程自动喷水灭火系统消防设计进行审核分析，依照《高层民用建筑设计防火规范》、《自动喷水灭火系统设计规范》、《火灾自动报警系统设计规范》等现行国家有关规范，对建筑的湿式自动喷水灭火系统的设计进行消防审核，并通过水力计算，对自动喷水灭火系统消防水泵扬程和流量选择、消防稳压泵、气压罐进行了复核。针对水系统中最不利点喷头工作压力确定等问题进行分析讨论，并深入分析讨论了水力计算过程中公式的选择以及方法选择问题。

　　关键词：自动喷水灭火系统,水力计算

　　1 引言

　　1.1 地下建筑的现状

　　在城市中，地下建筑是十分普遍的，随着经济快速发展，地下建筑不仅在数量上，而且在规模上越来越大，建筑也越来越复杂。近年来此类场所发生多起特别重大火灾，尤其是高层地下建筑的安全越来越被人们重视，其中，消防安全也是十分重要的一部分。

　　1.2 地下建筑火灾危险性

　　高层地下建筑建筑结构功能复杂，建筑面积大、高度高、人员多且密集，功能复杂，设备繁多，用电量大，容易发生火灾，竖向管道井多，而且扑救难度高。地下建筑内杂物较多，可燃物较多，地下建筑中的餐饮、员工食堂等发生火灾的可能性也较大。一旦发生火灾，很容易造成重大的人员伤亡和财产损失。

　　1.2.1 可燃烧物多，火灾荷载大

　　地下建筑内大量的装饰、装修材料和家具陈设都采用木材塑料等可燃烧材料，增加了建筑内部的火灾荷载。一旦发生火灾，大量的可燃物将导致猛烈的燃烧，并且产生有毒气体。建筑内的墙、柱和楼板会因燃烧垮塌，造成更大的人员伤亡和火灾损失。

　　1.2.2 火灾温度高、火势蔓延速度快

　　地下建筑发生火灾时，与地面建筑情况完全不同。火灾时地面建筑约有70%的烟、热是通过门窗排出，地下建筑只能通过地面连接的出入口排烟散热，热烟气极易聚集和蔓延。

　　首先，地下建筑自然通风性差，火灾时供气不足，大量的物质在燃烧情况下得不到充足的空气，使燃烧速度与燃烧的充分性受到影响，阴燃时间较长，因而产生浓重的烟雾和大量的有毒气体。其次，地下建筑的孔口面积小，排烟散热性能差，因此发生火灾时热烟积聚不散，散热缓慢，内部温度上升快，瞬间可达到800~900 ℃，甚至高达千度以上，人员吸入热烟气后会严重灼伤气管，导致呼吸衰竭而亡[1]。再次，火灾时地下建筑易较早出现“轰燃”现象，商场轰燃后空气大量消耗，而外界补给困难，CO、CO2等有害气体浓度迅速增加，易使人窒息而亡。

　　1.2.3 人员密集，疏散困难

　　高层地下建筑层数多，垂直距离长，不利于人员在短时间内疏散到地面，发生火灾时由于各种竖井拔气力大，火势和烟雾向上蔓延快，增加了疏散的难度，并且地下建筑内人员密集，云梯车实施高层救人也会受到风向风速的影响，云梯车救援容量较小，无法作为火灾中主要的疏散方式，所以安全疏散主要是依靠楼梯，而楼梯间一旦窜入烟气，就会严重影响人员疏散;另外由于火灾现场混乱，人的本能恐惧心理和逃生欲望会使得人们涌向安全通道，甚至出现人员跳楼的事件。大量的人流在楼梯间汇集后，极易发生拥挤堵塞，容易在疏散过程中发生混乱，从而影响安全疏散。

　　1.2.4 火灾扑救难度大

　　地下建筑建筑处于封闭状态，可供顾客占用的面积比地上建筑小，人员密度高于地上商场，发生紧急情况后人员疏散困难。

　　第一，地下建筑发生火灾后，空气流通不畅，供气不足，并且地下空间出入口较少，使受困人员很难在短时间内逃离火灾现场。第二，地下建筑内一般无自然采光，平时正常电源照明就比地面建筑的自然采光效果差。火灾时电器照明线路的损坏，地下建筑中一片漆黑，必然出现慌乱的局面，顾客争相逃命，难免有拥挤、踩踏等意外事故的发生。第三，地下建筑发生火灾时，人员逃生方向与烟气扩散方向相同，并且烟气水平扩散速度能达到2 m/s，比人员步行速度要快，这也加大了人员紧急疏散的难度[2]。

　　地下建筑通风条件差，受火灾情况下浓烟、毒气、热辐射等因素的影响，能见度低，消防人员的视线、呼吸和体力都受到极大限制，而高温条件下的一些特种装备会失去其应有的效能，导致抢救被困人员很困难。部分地下建筑内道路曲折、狭窄，有些疏散通道上堆放有物品，不易铺设水带和调运消防器材，灭火行动不易全面迅速开展。再者，受地下建筑屏障效应的影响，无线通讯器材失去作用，指挥人员不能及时掌握地下情况，给正确、及时指挥带来不便。

　　综上所述，地下建筑火灾严重危害人民的生命安全，并易造成巨大的经济损失。因此，消防部门必须做好地下建筑防火设计，切实保证地下建筑的消防安全工作。

　　1.3 自动喷水灭火系统在火灾中的作用

　　自动喷水灭火系统遇有火灾时可自动启动并喷水灭火，使火灾在初期就能够及时得以控制，从而最大限度的减少了火灾损失。自动喷水灭火系统对环境无污染，灭火效率高，所以广泛应用于民用建筑中，特别适用于人员密集、不易疏散、外部灭火和救生比较困难的高层地下建筑。

　　1.4 对自动喷水灭火系统监督检查的必要性

　　自动喷水灭火系统的设计、安装、调试验收和日常的检查维护是一套整体的过程，每一步都以确保系统正常运行为目的，监督检查更是在设施投入使用之后保证系统可靠性的主要方式，也是必不可少的基本措施[3]。

　　1.4 研究方法及内容

　　1.4.1 研究方法

　　明确地下建筑火灾特点、消防设计思路及内容，收集地下建筑图纸，参照相关设计规范，审核图纸，针对其存在的问题进行消防安全设计。

　　1.4.2 研究内容

　　1、根据《自动喷水灭火系统设计规范》和《高层民用建筑设计防火规范》，确定该地下建筑的危险级别，综合考虑吊顶、货架、附属仓库和挡烟垂壁等对喷淋头设置的影响，计算并设计自动喷水灭火系统;

　　2、结合计算结果分析，提出提高该类型地下建筑消防安全的具体措施，为该地下建筑出示审核意见。

　　1.5 工程概况

　　该建筑总规划用地面积11.99万m2，规划总建筑面积约441278.75 m2，其中地上359778.75 m2，地下8.15万m2。分两期建设，其中一期地上26.77875万m2，地下7.0万m2;二期地上9.9万m2，地下1.15万m2。由购物中心、酒店、写字楼、商务酒店、室外步行街、及底商等组成。根据《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)第3.0.1条和第3.0.4条，建筑高度超过50 m，为一类高层建筑，耐火等级一级。

　　该建筑地下一层分为大超市部分和车库部分，地下超市商品超过万余种，主要经营包括烟、酒、副食、生活用品等。

　　2 湿式自动喷水灭火系统的设计审核

　　2.1 场所火灾危险等级

　　根据《自动喷水灭火系统设计规范》以下简称《自喷》)第5.0.1条，民用建筑的设计参数如表2.1：

　　表2.1 民用建筑和工业厂房的系统设计参数

　　火灾危险等级净空高度

　　m喷水强度

　　L/(min·m2)作用面积

　　m2

　　轻危险级

　　≤84

　　160

　　中危险级Ⅰ6

　　Ⅱ8

　　严重危险级Ⅰ12260

　　Ⅱ16

　　注：系统最不利点处喷头的工作压力不应低于0.05MPa

　　该地下室的地下建筑部分和车库部分均属于中危险Ⅱ级场所。湿式自动喷水灭火系统的设计喷水强度为8 L/(min·m2)。

　　该建筑地下超市部分和车库部分的自动喷水灭火系统的喷头为闭式玻璃球喷头，有吊顶的部位采用采用下垂型喷头，型号为ZSTX15 DN15;无吊顶的部位采用直立型喷头，型号为ZSTZ15 DN15，喷头流量系数K=80;喷头动作温度68℃(厨房93℃)。自动喷水系统管道采用内外热浸镀锌钢管，地下室自动喷水灭火系统管道工作压力为1MPa。

　　建筑同一配水支管上喷头的最大间距为3.4m,相邻配水支管的最大间距为3.4m，符合《自喷》第7.1.2条的规范要求。地下室最大净空高度为5.8m，小于8m，符合《自喷》6.1.1条的规定。

　　2.2报警阀组确定

　　《自动喷水灭火系统设计规范》第6.2.3条第1款规定，1个湿式报警阀组控制的喷头数不宜超过800个。该建筑共有6个湿式报警阀组，见表2.2。

　　显然，该建筑所有湿式报警阀组控制的喷头数均未超过800个，符合规范要求。

　　2.3水流指示器

　　该地下室的每个防火分区都设有水流指示器，并且每个水流指示器都配有信号阀，符合《自喷》第6.3.1条和第6.3.3条的规定。

　　2.4末端试水装置

　　该建筑地下一层共有35个防火分区，每个防火分区内距相应立管最远的喷头都连接末端试水阀，末端试水装置设有压力表。以上符合《自喷》第6.5.1条的规定。

　　2.5水力计算

　　本建筑的危险等级为中危险Ⅱ级，故喷水强度为8 L/(min·m2)，作用面积为160m2。如图所示，取最不利点作用面积162.34m2，共18个喷头。

　　所选最不利点处作用面积为矩形，长边为25.2m，短边为6.8m;长边平行于配水支管，1.2× =15.29m<25.2m。符合《自喷》第9.1.2条的规定。

　　水力计算：

　　最不利喷头的保护面积：162.34÷18=9.02m2

　　最不利点处喷头流量：

　　q1=D·AS (2.1)

　　=8×9.02

　　=72.16(L/min)

　　式中D是喷水强度，L/min·m2;AS是最不利点喷头保护面积，m2。

　　最不利点喷头工作压力：

　　(2.2)

　　=(72.16/80)2/10

　　=0.081(MPa)

　　式中K是喷头流量系数;q是喷头流量L/min;P是喷头工作压力MPa。

　　计算得最不利点喷头工作压力大于规范规定0.05 MPa的要求，因此P1按0.081MPa进行计算。

　　按下式进行作用面积内喷头流量的计算：

　　(2.3)

　　式中q是喷头流量，m3/s;K是喷头的流量系数;P为喷头处的水压，MPa。

　　通过管道的计算内径和流量，按(2.4)式计算管道的水力坡度。

　　(2.4)

　　式中i是管道的水力坡度，MPa/m;C为管道的材质系数，本建筑为镀锌钢管，取C=100;dj为管道的计算内径，m，取值应按管道的内径减1mm确定;qg为管道内流量，m3/s。

　　管道的水头损失分为沿程损失和局部损失两部分，分别为水力坡度乘以实际管道长度和当量长度：

　　h=i (L+L0) (2.5)

　　式中h是管道的沿程损失或节点的局部损失，MPa;i是管道或节点的水力坡度，MPa/m;L为管道长度或当量长度，m;L0是管道局部损失的当量长度。

　　泵的总扬程按(2.6)式计算：

　　式中H是泵的总扬程，MPa; 是水头损失，MPa;Z是最不利点处喷头与消防水池的最低水位之间的高度水头，MPa;P1为最不利点处喷头工作压力，MPa。

　　如图所示：

　　取报警阀组0.04 MPa，水流指示器0.02 MPa，

　　求得泵扬程：

　　=0.04+0.02+0.4231+4.6×0.01+0.081

　　=0.6101(MPa)

　　流量QD=0.04628 m3/s =46.28(L/s)

　　对以上水力计算结果进行复核：

　　(1)地下室自喷给水系统为临时高压系统，地下室消防泵房内设有自喷给水加压泵Q=40L/S,H=60m,N=45KW，三台，二用一备，向自喷给水系统供水。通过最不利处喷头作用面积计算得出的水泵流量要求为46.28 L/s，扬程为0.6101 MPa，流量与扬程未达到标准，故水泵型号不符合规范要求。

　　(2)水泵接合器，按照系统水力计算的流量要求Q=46.28 L/s，每个水泵接合器按10~15 L/s计，应当设置至少4个水泵接合器，实际设计中为4个SQS100-A型水泵接合器与室内自动喷水管网相连，符合规范要求。

　　(3)喷水强度复核：

　　最不利点附近4个喷头，取喷头1，2，18，16。其总作用面积为4.05 6.8=27.54(m2)，四个喷头的总流量为：

　　=72+77.4+83.6+84.5

　　=317.5(L/min)

　　喷水强度D=317.5/27.54=11.52(L/min·m2)，大于规范要求8 L/min·m2，符合规范规定。

　　自动喷水灭火系统管道沿程水头损失的计算国内和国外采用的公式都不一样，我国现行国家标准《自动喷水灭火系统设计规范》采用原《建筑给排水设计规范》的公式，以下计算将采用我国规范规定的公式进行计算：

　　系统最不利点压力的确定

　　由图纸可得，最不利点喷头的保护面积近似取：

　　m2

　　则所需喷头数为：

　　， 取19个

　　实际保护面积为162.34 m2，则最不利保护面积内喷头平均保护面积为

　　m2<11.5 m2

　　则最不利点处喷头流量

　　L·min-1

　　式中qu是设计喷水强度，L/min·m2;As是每个喷头保护面积，m2。

　　由式(2.5)可知

　　(2.5)

　　式中q是喷头流量，L×s-1;K是喷头的流量系数，取80;P0是喷头出水压力，MPa。

　　故最不利点压力为

　　MPa

　　该值大于《自动喷水灭火系统设计规范》规定的系统最不利点喷头处的最低压力0.05 MPa，故取较大值，则 MPa。

　　(1)按式(2.6)[10]进行作用面积内喷头的节点流量计算：

　　(2.6)

　　如节点1： L×s-1。

　　管段水流速度和水力坡度计算:

　　(2.7)

　　式中v是管段流速，m×s-1;Q是管段流量，m3×s-1;dj是管径，m。

　　式中i是管道单位长度的水头损失，mH2O×m-1; v是管段流速，m×s-1。

　　dj为管道的计算内径，取值按管道内径减去1 mm确定。图纸中给出的公称口径系近似内径的名义尺寸，不表示外径减去两个壁厚所得的内径。故 取值按《低压流体输送用焊接钢管》[8]中表A.1规定取值。部分计算所需的计算管径如表2.4：

　　管路计算长度，为管段长度与阀门和管件当量长度之和;如管段1~a：计算长度应为管段长度加DN25 90°弯头和DN32×25异径接头当量长度(各管件当量长度见表4.4)，即L1~a=2.5+0.2+0.6=3.3 m。

　　(2)计算管段流量， 。如1~a管段 L×s-1。

　　(3)计算管道水力坡度，采用式(2.7)、(2.8)。如管段1~2

　　(5)按公式 计算节点水压，如节点2的水压：

　　H2=H1+hg1~2=5.9+1.712=7.612 mH2O

　　(6)按上述方法进行各管段水力计算，具有相同水力特性的高压管段流量与低压管段流量，按下式计算：

　　取报警阀组0.04 MPa，水流指示器0.02 MPa，

　　从c点到泵的水头损失为高度水头、管道沿程损失与最不利点处喷头的工作压力之和;

　　求得泵扬程： =0.6043+4.6×0.01+0.0738

　　=0.7241(MPa)

　　流量Q=51.27(L/s)

　　由以上水力计算结果进行复核：

　　(1)地下室自喷给水系统为临时高压系统，地下室消防泵房内设有自喷给水加压泵Q=40L/S,H=60m,N=45KW，三台，二用一备，向自喷给水系统供水。通过最不利处喷头作用面积计算得出的水泵流量要求为51.27 L/s，扬程为0.7241 MPa，流量与扬程未达到标准，故水泵型号不符合规范要求。

　　(2)水泵接合器，按照系统水力计算的流量要求Q=51.27L/s，每个水泵接合器按10~15 L/s计，应当设置至少4个水泵接合器，实际设计中为4个SQS100-A型水泵接合器与室内自动喷水管网相连，符合规范要求。

　　(3)喷水强度复核：

　　最不利点附近4个喷头，取喷头1，2，18，16。其总作用面积为3.95 5.9=23.305(m2)，四个喷头的总流量为

　　=56.57+60.02+100.65+106.3

　　=323.54(L/min)

　　喷水强度D=323.54/23.305=13.88(L/min·m2)，大于规范要求8 L/min·m2，符合规范规定。

　　(4)喷水强度校核

　　系统计算流量Q=21.95 L×s-1，系统作用面积为161.6 m2，则系统平均喷水强度q=21.95×60/161.6=8.1>8 L×min-1，符合中危险级Ⅱ级建筑防火要求。

　　2.6 稳压设施

　　2.6.1 自喷立式气压罐

　　气压罐最小设计工作压力：

　　(2.9)

　　式中P0是气压罐最小设计工作压力，MPa; 是水箱至最不利喷头的水头损失，MPa;Z是最不利点处喷头与消防水箱的最低水位之间的高度水头，MPa;P1为最不利点处喷头工作压力，MPa。

　　消防水泵工作压力：

　　(2.10)

　　式中P2 是消防水泵启动压力，MPa;P0是气压罐最小设计工作压力，MPa; 是压缩空气充装比，在这里取0.7。

　　水箱立管连至图2.2中q节点，q节点前的水头损失由附录A可知：

　　hq=0.779 MPa

　　p节点到水箱的水头损失由式(2.2)计算得：

　　h0=0.0324 MPa

　　故水箱至最不利点喷头的水头损失：

　　h=0.779+0.0324

　　=0.8114(MPa)

　　水箱至最不利点喷头的高度差为14.5 m即高差静水压为0.145 MPa。将以上数据代入式(2.9)计算稳压泵最小工作压力：

　　(MPa)

　　代入式(2.10)计算消防水泵启动压力：

　　=0.8469/0.7=1.21(MPa)

　　稳压泵启泵压力Ps1=P2+0.02=1.21+0.02=1.23(MPa)。

　　稳压泵停泵压力Ps2=Ps1+0.05=1.23+0.05=1.28(MPa)。

　　设计中给出稳压泵启泵压力为0.35 MPa，工作压力0.4 MPa，停泵压力为0.45 MPa。皆不符合水力计算得出的压力要求。

　　自动喷水灭火系统的气压罐容积应按式(2.11)计算：

　　(2.11)

　　式中 是气压罐容积，L; 是压缩空气充装比，这里取0.7; 是自动喷水灭火系统的消防储水容积，L。

　　自动喷水灭火系统的消防储水容积应满足火灾初期5个喷头工作30 s的消防用水量要求，即

　　(L)

　　代入式(2.11)计算可得：

　　(L)

　　设计中调节容量为150 L，小于计算要求的495 L，不符合水力计算得出的要求。

　　2.6.2 消防稳压泵

　　当稳压泵用于自动喷水灭火系统时，其流量不应大于1 L/s。其扬程可按式(2.12)计算：

　　(2.12)

　　将上面得出的数据代入式(2.10)得到稳压泵的扬程：

　　(MPa)

　　设计中稳压泵的型号为25FL4-11X5，流量为4 m3/h=1.11 L/min，大于1 L/min。扬程为55 m，即0.55 MPa，小于1.255 MPa。

　　故设计中稳压泵的型号不符合水力计算得出的要求。

　　2.7 系统供配电

　　本工程一二期合并为一类高层建筑，消防设备供电等级为一级，符合GB50045-95(2005年版)《高层民用建筑防火设计规范》[5](以下简称《高规》)第9.1.1条的规定。

　　由A区地下室低压干线系统图可看出低压开关柜引出线路连接的都是消防设备，无其他线路，消防用电设备皆有专用的供电回路，无其他支路。符合《高规》第9.1.3条规定。

　　建筑的消防喷淋泵有双电源自动切换装置，如图2.3所示，这样的设置符合《高规》第9.1.2条的规定。

　　消防控制室有双电源自动切换装置，符合《高规》第9.1.2条的规定。引线为电缆桥架敷设。符合《高规》第9.1.4条的规定。

　　参考文献

　　[1] Buchanan A H, Christchurch N Z. Fire Engineering Design Guide [J]. University of Canterbury. 2001: 40-41.

　　[2] 吴涛,谢金容,杨延军. 人民防空地下室建筑设计[M]. 北京:中国计划出版社, 2006:105-126.

　　[3] Chow W K. ‘Waiting time’ for evacuation in crowded areas[J]. Building and Environment. 2007(42): 3757-3761.

　　[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50015-2003 建筑给水排水设计规范[S]. 北京:中国计划出版社, 2003.

　　[5] 中华人民共和国公安部. GA836-2009 建筑工程消防验收评定规则[S]. 北京:中国计划出版社, 2009.

　　[6] 中华人民共和国公安部. GB50216-2005 自动喷水灭火系统施工及验收规范[S]. 北京:中国计划出版社, 2005.

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